化工自动化及仪表.pdf

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书籍描述

内容简介
《化工自动化及仪表》以控制系统、检测技术、控制装置为主体,并辅以计算机控制系统的应用实例,全书共分11章。第1、2章介绍自动控制基础知识,第3章介绍检测技术与检测仪表,第4、5章介绍控制器与计算机控制装置,第6章介绍执行器,第7~9章介绍简单控制系统、复杂控制系统、新型控制系统,第10、11章介绍典型化工单元的控制与计算机控制系统的应用。
《化工自动化及仪表》丰富了自控系统理论基础方面的知识,对新概念、新技术、新系统、新装置、新方法作了全面的阐述。
《化工自动化及仪表》适用于化工、炼油、轻工、冶金、制药、林化工等工艺类专业本科生、专科生及相关专业工程技术人员。

作者简介
张光新,浙江大学控制学院教授、博导,作者在浙江大学长期从事过程自动化仪表的教学及科研工作,目前担任浙江大学控制学院院长。

目录
1自动控制系统概述1
1.1自动控制系统的组成1
1.2自动控制系统的分类2
1.2.1定值控制系统 2
1.2.2随动控制系统3
1.2.3程序控制系统3
1.3自动控制系统的过渡过程和品质指标3
1.3.1系统的稳态和动态3
1.3.2系统的过渡过程3
1.3.3描述系统过渡过程的品质指标4
1.4传递函数和方块图6
1.4.1问题的引入6
1.4.2拉普拉斯变换7
1.4.3传递函数9
1.4.4方块图9
1.5管道及仪表流程图13
1.5.1图形符号14
1.5.2字母代号15
1.5.3仪表位号16
思考题与习题16

2控制系统基本组成环节特性分析18
2.1被控对象特性及其对过渡过程的影响18
2.1.1被控对象的数学描述方法18
2.1.2对象数学模型的建立方法19
2.1.3对象机理数学模型的建立19
2.1.4描述对象特性的参数及其对过渡过程的影响23
2.1.5被控对象特性参数的实验测定方法26
2.2测量、变送环节特性及其对过渡过程的影响27
2.2.1测量元件28
2.2.2变送器29
2.3执行器特性及其对过渡过程的影响29
2.4控制规律及其对过渡过程的影响31
2.4.1双位控制31
2.4.2比例控制(P)33
2.4.3比例积分控制(PI)36
2.4.4比例微分控制(PD)38
2.4.5比例积分微分控制(PID)40
思考题与习题41

3过程参数的检测43
3.1概述43
3.1.1检测过程与测量误差43
3.1.2过程参数的一般检测原理47
3.1.3变送器的基本特性和构成原理48
3.1.4变送器的若干共性问题50
3.2压力检测52
3.2.1压力的表示方法52
3.2.2压力检测概述53
3.2.3弹性式压力检测53
3.2.4电气式压力检测58
3.2.5智能式压力/差压变送器60
3.2.6压力检测仪表的选用和安装61
3.3温度检测65
3.3.1温度检测概述65
3.3.2热电偶及其测温原理66
3.3.3热电阻及其测温原理72
3.3.4温度变送器简介73
3.3.5其他温度检测仪表简介78
3.3.6温度检测仪表的选用和安装78
3.4流量检测79
3.4.1流量检测概述80
3.4.2节流式流量计80
3.4.3转子流量计83
3.4.4电磁流量计85
3.4.5涡轮流量计85
3.4.6旋涡流量计86
3.4.7容积式流量计87
3.4.8其他流量检测方法87
3.4.9流量检测仪表的选用和安装89
3.5物位检测90
3.5.1物位检测概述90
3.5.2差压式液位计91
3.5.3浮筒式液位计91
3.5.4电容式物位计92
3.5.5核辐射式物位计93
3.5.6物位检测仪表的选用和安装93
3.6成分和物性参数的检测94
3.6.1热导式气体成分检测94
3.6.2红外式气体成分检测95
3.6.3溶解氧的检测95
3.6.4pH值的检测97
3.6.5浊度的检测97
3.7软测量技术简介97
3.8安全仪表系统100
3.8.1安全仪表系统的基本概念100
3.8.2安全仪表系统的结构101
3.8.3安全仪表系统(SIS)集成设计101
3.8.4安全仪表系统中传感器设计原则102
思考题与习题103

4控制器106
4.1控制器概述106
4.2数字式控制器106
4.2.1数字式控制器的主要特点106
4.2.2数字式控制器的构成原理107
4.2.3SLPC可编程调节器110
思考题与习题116

5计算机控制系统117
5.1概述117
5.1.1计算机控制系统的基本组成117
5.1.2计算机控制系统的发展过程118
5.1.3计算机控制系统的发展特征120
5.1.4离散化PID控制和数字滤波算法121
5.2可编程序控制器123
5.2.1概述123
5.2.2PLC基本组成124
5.2.3PLC的基本工作原理125
5.2.4PLC的程序设计简介126
5.3集散控制系统131
5.3.1概述131
5.3.2DCS的硬件体系结构132
5.3.3DCS的软件系统136
5.3.4DCS的组态(开发与生成)137
5.4现场总线控制系统140
5.4.1现场总线的概述140
5.4.2基金会现场总线143
5.4.3Profibus现场总线146
5.4.4几个具体问题的分析150
5.5工业以太网151
5.5.1以太网的介质访问控制协议151
5.5.2以太网应用于工业现场的关键技术152
5.5.3工业以太网的应用153
思考题与习题154

6执行器157
6.1概述157
6.1.1执行器在自动控制系统中的作用157
6.1.2执行器的构成157
6.1.3执行器的分类157
6.1.4执行器的作用方式158
6.2执行机构158
6.2.1气动执行机构158
6.2.2电动执行机构159
6.2.3智能式电动执行机构159
6.3调节机构160
6.4调节阀的流量系数和流量特性162
6.4.1流量系数162
6.4.2流量特性163
6.4.3调节阀的可调比165
6.5阀门定位器166
6.5.1电/气阀门定位器166
6.5.2气动阀门定位器167
6.5.3智能式阀门定位器167
6.6执行器的选择、计算和安装168
6.6.1执行器结构形式的选择168
6.6.2调节阀流量特性的选择169
6.6.3调节阀的口径选择170
6.6.4气动调节阀的安装171
思考题与习题172

7简单控制系统173
7.1简单控制系统的结构与组成173
7.2自动控制的目的及被控变量的选择174
7.3对象特性对控制质量的影响及控制变量的选择176
7.3.1控制变量与干扰变量176
7.3.2对象特性对控制质量的影响176
7.3.3控制变量的选择原则与选择方法178
7.4测量滞后对控制质量的影响及测量信号的处理181
7.4.1测量滞后对控制质量的影响181
7.4.2克服测量滞后的几种方法182
7.4.3测量信号的处理182
7.5负荷变化对控制质量的影响及调节阀的选择183
7.6控制规律的选择184
7.6.1控制规律的选择184
7.6.2控制器正、反作用的选择184
7.7控制系统的投运与参数整定186
7.7.1控制系统的投运186
7.7.2控制器参数的工程整定186
思考题与习题190

8复杂控制系统192
8.1串级控制系统192
8.1.1概述192
8.1.2串级控制系统的工作过程194
8.1.3串级控制系统的特点及应用范围195
8.1.4串级控制系统主、副回路的选择195
8.1.5主、副控制器控制规律及正、反作用的选择198
8.1.6主、副控制器参数的工程整定200
8.2均匀控制系统201
8.2.1均匀控制的目的201
8.2.2均匀控制方案202
8.3比值控制系统203
8.3.1概述203
8.3.2比值控制的类型203
8.4选择性控制系统206
8.4.1概述206
8.4.2选择性控制系统的类型206
8.4.3积分饱和及抗积分饱和措施209
8.5分程控制系统210
8.5.1概述210
8.5.2分程控制的应用211
8.5.3分程控制系统应用中应注意的几个问题213
8.6前馈控制系统213
8.6.1概述213
8.6.2前馈控制系统的结构215
8.6.3前馈控制系统的应用场合216
8.7多冲量控制系统217
思考题与习题219

9新型控制系统222
9.1解耦控制222
9.1.1系统间的相互关联222
9.1.2解耦控制224
9.2推断控制226
9.3自适应控制227
9.3.1自适应控制系统的特点与功能227
9.3.2自适应控制系统的类型227
9.4预测控制228
9.4.1预测控制的基本特征228
9.4.2预测控制算法的类型229
9.5模糊控制232
9.5.1模糊控制的基本原理232
9.5.2模糊控制的几种方法234
9.6神经元网络控制234
9.6.1神经元模型234
9.6.2人工神经网络236
9.6.3神经网络在自动控制中的应用237
9.7智能控制与专家系统237
9.7.1智能控制概述237
9.7.2智能控制的主要类型238
9.7.3专家控制系统239
9.8故障检测与故障诊断240
9.8.1提高控制系统可靠性的主要方法240
9.8.2故障检测与诊断的主要方法241
思考题与习题242

10典型化工单元的控制243
10.1化工单元自动控制的一般设计原则243
10.2流体输送设备的控制244
10.2.1离心泵的控制244
10.2.2容积式泵的控制245
10.2.3压缩机的控制245
10.3传热设备的控制247
10.3.1无相变情况下传热设备的控制248
10.3.2有相变情况下传热设备的控制249
10.4化学反应器的自动控制251
10.4.1釜式反应器的自动控制252
10.4.2固定床反应器的自动控制252
10.4.3流化床反应器的自动控制253
10.4.4鼓泡床反应器的控制254
思考题与习题255

11计算机控制系统的应用257
11.1计算机控制系统的工程设计257
11.1.1计算机控制系统的基本设计原则257
11.1.2计算机控制系统的工程设计程序257
11.1.3计算机控制系统的硬件设计258
11.1.4计算机控制系统的软件设计260
11.2PLC在啤酒发酵过程中的应用260
11.2.1发酵过程的生产工艺和控制要求简介260
11.2.2S7 PLC的硬件设计261
11.2.3软件设计263
11.3DCS在链条锅炉系统中的应用265
11.3.1工艺简介265
11.3.2系统的主要控制要求266
11.3.3系统控制方案分析266
11.3.4控制方案在DCS上的实现267
11.4FCS在大颗粒尿素装置中的应用简介272
11.4.1工艺简介272
11.4.2DeltaV系统简介273
11.4.3控制要求在FCS上的实现273
思考题与习题274

部分习题参考答案276

附录280
附录1部分压力单位的换算关系280
附录2热电偶分度表280
附录3热电阻分度表282

参考文献284

序言
伴随着科学技术的迅速发展,自动化技术已成为当今举世瞩目的高技术之一,涉及人类生产、生活、国防、科研等领域的各个层面,是信息时代的一大标志。
自动化技术的进步极大地推动了工业生产的飞速发展,随着生产过程的大型化、复杂化,各种类型的自动控制系统已经成了现代工业生产实现安全、高效、优质、低耗的基本条件和重要保证。因此,对工艺类专业的工程技术人员来说,学习和掌握必要的自动化知识,对于管理与开发现代化生产过程是十分重要的。
《化工自动化及仪表》是一本适用于化工、炼油、轻工、冶金等工艺类专业本、专科学生的自动化教材。本书的指导思想是结合信息时代的特点,在介绍传统自动控制基础知识的同时,对新概念、新技术、新系统、新装置、新方法作了全面的阐述,以适应自动化理论、自动化技术、计算机技术、检测技术的新发展。
《化工自动化及仪表》是国家级教改项目(世行贷款)《化工类专业创新人才培养模式、教学内容、教学方法和教学技术改革的研究与实施》的研究成果之一。全书以控制系统、检测技术、控制装置为主线,并辅以计算机控制系统的应用实例,共分为11章。第1章对系统组成、系统分类、系统的过渡过程以及传递函数等一些基本概念进行介绍,为后面章节的学习做准备。与同类教材相比,本章引入了传递函数和方块图这一基本概念,并对为什么要引入传递函数及方块图这一基本概念进行了说明。第2章介绍系统各组成环节的特性及其对控制质量的影响。在这一章中,除了对被控对象数学模型的建立、对象特性及其对过渡过程的影响进行介绍外,还引入了测量变送、执行器、控制器等其他三个环节特性的分析,使读者对系统特性有一个完整的了解。第3章在简要介绍测量与测量仪表共性的基础上,介绍了常用被测参数的检测方法、检测原理、仪表外特性、仪表选型方法等,并引入了软测量技术和安全仪表系统的介绍。第4章着重介绍数字式控制器及可编程调节器的工作原理、特点及外特性,删除了DDZⅢ型调节器方面的内容。第5章介绍工业控制计算机、可编程序控制器、集散控制系统、现场总线控制系统、工业以太网等计算机控制装置方面的内容,本章强调的是原理性的、具有共性的内容,避免在某种控制系统或某组态软件上花大量篇幅进行介绍的编写方法。第6章介绍执行器的作用、分类、工作原理、选择与安装等方面的内容,与其他同类教材相比,本章除加重对电动执行器机构的介绍外,还引入了智能式电动执行机构的介绍。第7章介绍简单控制系统的组成、设计、投运与整定,本章引入了一种新的控制器正、反作用的选择方法。第8章介绍串级、均匀、比值、选择、分程、前馈、多冲量等复杂控制系统的组成、特点与应用场合。第9章介绍了解耦、推断、自适应、预测、模糊、神经元网络、智能控制与专家系统等先进控制系统的基本概念。第10章介绍典型化工操作单元的控制方案。第11章介绍计算机控制系统的应用,对计算机控制系统的设计原则、设计程序、设计方法进行阐述,并对PLC、DCS、FCS等系统的应用进行举例,本章系统地介绍了计算机控制系统的工程设计与实施方面内容,力求使读者掌握计算机控制系统的应用方法。书后附有部分习题的参考答案。
为方便教学,《化工自动化及仪表》配套的电子教案可免费提供给采用本书作为教材的大专院校使用。如有需要,请发电子邮件至cipedu@163.com。
由浙江大学、北京化工大学、华东理工大学等联合编写的《化工仪表及自动化例题习题集》(第三版)内容基本上覆盖了目前化学工业出版社已经出版的同类教材的所有习题与思考题,除了对主要的习题给出了详细的题解外,还列举了部分例题进行了深入的分析,以使该课程的任课教师与学生能更好地理解教材的内容与要点,欢迎广大师生及读者选用。
本书的编写得到了浙江大学周泽魁、黄志尧、张宏建三位教授以及浙江工程设计有限公司徐立伟高级工程师的大力支持和热情帮助,在此表示衷心的感谢。
由于编著者水平有限,书中难免存在不足之处,恳请读者批评指正。

编著者
2015年12月

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